Transparenta fönsterbeläggningar som håller byggnader och bilar svala under soliga dagar. Enheter som kan mer än tredubbla solcellseffektiviteten. Tunn, lätta sköldar som blockerar termisk detektering. Dessa är potentiella applikationer för en tunn, flexibel, ljusabsorberande material utvecklat av ingenjörer vid University of California San Diego.

Materialet, kallas en nästan perfekt bredbandsabsorbator, absorberar mer än 87 procent av nära-infrarött ljus (1, 200 till 2, 200 nanometer våglängder), med 98 procent absorption vid 1, 550 nanometer, våglängden för fiberoptisk kommunikation. Materialet kan absorbera ljus från alla vinklar. Den kan också teoretiskt anpassas för att absorbera vissa våglängder av ljus samtidigt som den låter andra passera igenom.

Material som "perfekt" absorberar ljus finns redan, men de är skrymmande och kan gå sönder när de böjs. De kan inte heller kontrolleras att endast absorbera ett utvalt våglängdsområde, vilket är en nackdel för vissa tillämpningar. Föreställ dig om en fönsterbeläggning som används för att kyla inte bara blockerar infraröd strålning, men också vanligt ljus och radiovågor som sänder tv- och radioprogram.

Genom att utveckla en ny nanopartikelbaserad design, ett team ledd av professorerna Zhaowei Liu och Donald Sirbuly vid UC San Diego Jacobs School of Engineering har skapat en bredbandsabsorbent som är tunn, flexibel och avstämbar. Verket publicerades online den 24 januari in Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Detta material erbjuder bredband, men ändå selektiv absorption som kan anpassas till distinkta delar av det elektromagnetiska spektrumet, " sa Liu.

Absorbatorn förlitar sig på optiska fenomen som kallas ytplasmonresonanser, som är kollektiva rörelser av fria elektroner som sker på ytan av metallnanopartiklar vid interaktion med vissa våglängder av ljus. Metallnanopartiklar kan bära många fria elektroner, så de uppvisar stark ytplasmonresonans - men främst i synligt ljus, inte i infraröd.

Ingenjörer från UC San Diego resonerade att om de kunde ändra antalet fria elektronbärare, de kunde ställa in materialets ytplasmonresonans till olika våglängder av ljus. "Gör den här siffran lägre, och vi kan driva plasmonresonansen till det infraröda. Gör siffran högre, med fler elektroner, och vi kan driva plasmonresonansen till den ultravioletta regionen, ", sa Sirbuly. Problemet med detta tillvägagångssätt är att det är svårt att göra i metaller.

För att möta denna utmaning, ingenjörer designade och byggde en absorbator av material som kunde modifieras, eller dopad, att bära en annan mängd fria elektroner:halvledare. Forskare använde en halvledare som heter zinkoxid, som har ett måttligt antal fria elektroner, och kombinerade den med sin metalliska version, aluminiumdopad zinkoxid, som rymmer ett stort antal fria elektroner - inte lika mycket som en verklig metall, men tillräckligt för att ge det plasmoniska egenskaper i det infraröda.

Materialen kombinerades och strukturerades på ett exakt sätt med hjälp av avancerad nanotillverkningsteknik i renrumsanläggningen Nano3 vid Qualcomm Institute vid UC San Diego. Materialen avsattes ett atomlager i taget på ett kiselsubstrat för att skapa en rad stående nanorör, var och en gjord av omväxlande koncentriska ringar av zinkoxid och aluminiumdopad zinkoxid. Rören är 1, 730 nanometer hög, 650 till 770 nanometer i diameter, och mindre än hundra nanometer från varandra. Nanorörsmatrisen överfördes sedan från kiselsubstratet till en tunn, elastisk polymer. Resultatet är ett material som är tunt, flexibel och transparent i det synliga.

"Det finns olika parametrar som vi kan ändra i denna design för att skräddarsy materialets absorptionsband:gapstorleken mellan rören, förhållandet mellan materialen, typer av material, och elektronbärarkoncentrationen. Våra simuleringar visar att detta är möjligt, " sa Conor Riley, en ny doktorsexamen i nanoteknik. examen från UC San Diego och den första författaren till detta verk. Riley är för närvarande postdoktor i Sirbulys grupp.

Det är bara några spännande egenskaper hos denna partikelbaserade design, sa forskare. Det är också potentiellt överförbart till alla typer av substrat och kan skalas upp för att göra enheter med stor yta, som bredbandsabsorbenter för stora fönster. "Nanomaterial tillverkas normalt inte i skalor större än ett par centimeter, så det här skulle vara ett stort steg i den riktningen, " sa Sirbuly.

Tekniken är fortfarande på utvecklingsstadiet. Liu och Sirbulys team fortsätter att arbeta tillsammans för att utforska olika material, geometrier och design för att utveckla absorbatorer som fungerar vid olika våglängder av ljus för olika applikationer.